JP3682807B2 - 軸方向磁場発生用永久磁石磁気回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石磁気回路に関するものであり、特に軸方向磁場発生用永久磁石磁気回路に係る。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を用いた磁気回路により発生可能な磁場は、ソレノイド電磁石により発生できる磁場とその方向が90°異なるのが普通である。例えば、図２（ａ）、（ｂ）の永久磁石型ＭＲＩ用マグネットで、ソレノイドコイルによる超電導マグネットと永久磁石を用いたマグネットを比較すれば明らかである。もちろん図３（ａ）に示すように、軸方向の磁化方向永久磁石で構成したリング状磁石のリング内空隙内には、ソレノイドコイルと同じように軸方向磁場を得ることができる。しかし該永久磁石磁気回路では、磁石の一方の端部より発生する磁束の半分以上はリング磁石の外側を通って反対側端部に回り、リング内空隙を通る磁束は半分以下である。一般的に空隙内部の磁場を使用するので、該永久磁石磁気回路は効率が悪いことがわかる。
一方、図３（ｂ）にソレノイドコイルによる電磁石の磁束の流れ方を示すが、磁束は内部空隙から外部を通り、一方向で閉磁路を形成する。このような永久磁石とソレノイド電磁石の違いのため、永久磁石磁気回路でリング状の空隙内部に軸方向磁場を効率的に発生することは容易ではない。
【０００３】
本発明者等は軸方向磁場を発生する永久磁石磁気回路を提案して、特開平８−６４１４２号公報に開示している。またG.Aubertは、USP 5014032 に、またP.Meyerer はUSP 3237059 に、軸方向磁場を発生する磁気回路を提案している。また、Leupouldらも、同種の磁化回路を、USP 4658228 やUSP 4701737 として発表している。
これらの永久磁石磁気回路の基本構造は、径方向磁化を有するリング状磁石３６ａ〜ｈを組み合わせて、軸方向磁場を空隙内に発生するものであり、図４（ａ）、（ｂ）がその基本構造である。本構造では、磁石から発生する磁束は内部空隙３８を通り、希土類磁石を使用すれば、5000Ｇ以上の中心磁場を発生することができる。ソレノイド電磁石と比較して強い磁場をコンパクトな体積で実現でき、磁場発生用電源や冷却機構も不要である。もちろん磁場を発生するための電気も不要である。実際 Kikunaga らは、Twentieth International Conference on Infrared and Millimeter Waves Conference Digest(1995),485 held at Orland,FL,USA に発表したように、特開平８−６４１４２号公報に開示した磁気回路をジャイロトロン発振器に適用して、28ＧHzのミリ波を発生することに成功し、実際の用途に使用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平８−６４１４２号公報で開示した磁気回路は、図４（ｃ）の空隙内磁場分布の模式図に示すように、途中で磁場が逆転するため、実際に使用する領域より長い空隙長さを有するリング状磁気回路にする必要がある。この点が問題で、使用磁石量が増加し、磁気回路も大きくなる。磁気回路空隙内部から、回路外側を一周する積分路に沿う磁場（Ｈ）の線積分は０になるので、磁場反転領域が存在するのは原理的な問題である。しかし、閉積分路上の線積分が０なので、空隙内部の磁場反転を抑えることは可能である。空隙内の磁場反転を無くすために、空隙の両端部を磁石またはヨークなどで塞ぐことが有効である。ジャイロトロンでは空隙内に電子銃や共鳴部の発振器を挿入し、ミリ波を取り出さなければならないので、閉塞構造は取れない。
このように、磁石空隙内部の軸方向磁場の反転を抑制して希望する磁場分布が得られる、必要かつ十分な長さの永久磁石磁気回路を実現することが求められていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点に鑑み、鋭意研究して本発明に至った。
すなわち本発明は、円筒状磁性体（図では「外側ヨーク４０」）が、複数のリング状希土類永久磁石のみで積層されまたは該磁石層とリング状外筒磁性ヨークとにより構成された永久磁石磁気回路で、磁気回路の磁場を円筒軸方向と平行に円筒内空隙に生じさせ、該磁気回路の円筒軸方向を通る断面において、リング状希土類永久磁石は中心軸に対し円筒対称となっている磁化方向を有し、円筒軸方向を横方向とした場合、左端より右端に向かって上半分で見ると、リング状磁石の磁化方向が時計回りに、下半分が反時計方向回りに連続的または離散的に徐々に一回転するようにリング状希土類磁石が配置されること、また、円筒状磁石体の両端部のリング状磁石の磁化方向が円筒軸方向と平行でかつ同一方向であり、円筒状磁性体の中心近傍磁石の磁化方向が軸方向でかつ端部と反対方向にリング状磁石が配置されていることが好ましいことを要旨とするものである。
以下に、これをさらに詳述する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１（ａ）に従い以下に説明する。図１（ａ）は本発明の磁気回路の断面模式図の一例で、中心軸によって円筒対称であるが、必ずしも円筒状でなく多角形状でも良い。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ′断面の模式図である。
図１（ａ）の左端のリング状磁石１１の磁化方向は右向きで軸方向である。左端から中心リング方向に進むに従い、図の上半分で見た場合、リング状磁石の磁化方向は時計回りに変化し、おおむね中心部のリング状磁石１７、２７で磁化方向は完全に反転し、左向きとなる。更に右方向に進むに従い、リング状磁石の磁化方向は更に右回りに変化し、磁石右端では左端リング磁石と同じ右向きの磁化方向をとる。つまり軸方向に進行するにつれ、リング状磁石の磁化方向が一回転し、その磁化方向変化は左端から右端に向かって、時計回りに変化することを特徴とする。
反時計回りに磁化方向が変化すると、空隙内部の磁場が途中で反転するため好ましくない。両端部の磁化方向が左向き磁化方向の場合も、図の上半分で見た場合、左端から右端にかけてのリング状磁石間の磁化方向変化は、時計回りでなければならない。この場合、磁石空隙の磁場方向は逆になる。
【０００７】
磁化方向の変化は連続的であるのが理想的であるが、現実にはそのような磁気回路を作製することは困難である。そこで、磁化変化はリング状磁石毎に離散的に変化していればよいが、リング毎の変化の度合いは小さい方が良いことは言うまでもない。リング状磁石間の磁化変化の度合いは90°以内であることが好ましい。
希望する磁場分布の仕様要求から、リング間で磁化方向変化がないものがあっても当然構わない。例えば図１（ａ）では、中心部のリング状磁石１７と２７の間では磁化方向の変化がない。
【０００８】
リング状磁石間は、軸方向に空隙がないほうが好ましい。なぜなら、軸方向空隙は磁束の外側への漏洩を引き起こすためである。しかし、磁場調整や磁場分布仕様の要求から空隙を設けることも、当然許される。
リング状磁石の外側のリング状外筒磁性ヨーク４０は磁石を保持するのみであれば磁性、非磁性のどちらでも良い。しかし磁気効率と円筒磁石外側への磁束漏洩の観点からは、外側ヨークは磁性体であることが好ましい。飽和磁化の高さ、保磁力の大きさ、機械強度、加工容易さ、コスト（材料・加工費）の観点から、軟磁性の鉄（例えば低炭素鋼など）が好ましい。端部の蓋４１も同様な理由により磁石体でよい。端部リング状磁石は隣接磁石より反発力を受けているので、該蓋は、端部リング状磁石の飛び出し防止の役割も兼ねている。
該磁石に使用するのは、希土類磁石である。希土類磁石には、CeCo系、SmCo系、NdFeB 系などの各種の磁石が存在し、高い磁気特性を有するので、どの希土類磁石であってもよい。中心磁場強度として高い値を必要とする場合は、NdFeB 系磁石が適している。磁石の温度が上昇する可能性がある場合は、磁化の温度係数が小さく、高温でも減磁の起きにくいCeCo系、またはSmCo系が適している。これらは用途に応じて使い分ければよい。
【０００９】
該磁気回路により、なぜ空隙内部での軸方向磁場が概ね一方向（本説明では右向き）になるのかを図１（ａ）に沿って以下に説明する。
左端部と右端部の右向き磁化方向磁石１１、２１は、円筒磁石内部に右向き磁場Ｂを発生する。一方、図の長さ中心よりも右側の磁化が空隙内部の径方向に向いた磁石１３、１４または傾きを持って向いたリング状磁石１２、１５、１６は図では空隙内筒表面の左側３１にＮ極磁荷を発生する。一方、中心より右側のリング磁石は空隙内筒表面の右側３２にＳ極磁荷を発生する。磁束は左側Ｎ極から右側Ｓ極に向かって流れるため、磁場Ｂの向きは右向きとなる。中心部の左向きリング状磁石１７、２７は左向きの磁場を発生するように思われるが、リング状磁石内部では、磁化方向と逆向きの磁場となるので、やはり右向きの磁場を発生する。
したがって、円筒磁石全体として、内部空隙３０で右向きの軸方向磁場Ｂを発生する。左右端部出口付近では、磁場方向が逆転するが、実用上は問題ない。
【００１０】
少し異なる観点から説明すると、本発明者らによる特開平８−６４１４２号公報に開示した磁気回路は、左右に径方向リング磁石を配置し、中心部の軸方向磁化リング磁石を組み合わせ、積層したものである。しかし、本発明では、径方向磁石の端部側の磁束（径方向磁石による磁束の約半分）は、中心部側ではなく端部側に流れて、中心部付近の磁束の流れと逆になる。これは、リング磁石の自分自身の逆極に流れる方が、中心部を挟んだ逆極に流れるより、磁気抵抗が少ないためである。この磁束の流れが、空隙内の磁場の反転として両側で観測される。
しかし本発明のように、磁化方向を連続的または離散的に、徐々に変化させることにより、両端部の軸方向磁化磁石が、径方向磁石の磁場反転を打ち消すように働くため、磁場反転が起こりにくくなり、特開平８−６４１４２号公報に開示した磁気回路等よりも短い長さで同等な磁場分布を実現できる。
【００１１】
【実施例】
次に、本発明を実施例、比較例を挙げて説明する。
実施例
図１の構造の円筒状マグネットを以下のように製作した。
内径 100mm、長さ 700mmで、１リングの厚みは50mmに固定した。希土類磁石は焼結NdFeB 磁石で45MGOeの磁気特性を有する N45（信越化学工業社製製品名）を使用し、図１（ａ）のような台形状の16個の磁石セグメントで、１リングを構成した。側面ヨークは低炭素鋼 S400 とし、厚みは40mm、蓋も同材質で厚みは20mmとした。側面円筒ヨークと永久磁石はエポキシ系１液接着剤にて室温硬化させ、固着した。
組み上げた永久磁石磁気回路の、空隙内部中心軸上の磁場をガウスメータで測定したところ、空隙中心部で6000Ｇの磁場が得られ、磁場分布は左右対称であった。向かって右方向（正方向）の磁場が生じている領域は磁石全長 700mmに対して580mm あり、全長に対する比率は80％を超えていた。
【００１２】
比較例
比較のために、特開平８−６４１４２号公報に開示されたものと同様の、図４に示す磁化方向を有する磁気回路構造とした以外は、実施例と同様に、同寸法で磁石を作製して組み上げた。右方向磁場領域の比率は、磁石全長 700mmに対して410 mmで、全長に対する比率は58.6％であった。
以上から、本発明により正方向磁場領域の比率が大幅に増加したことを確認できた。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、リング状磁石の空隙中に軸方向を発生する回路で、従来より短い長さ・小さい体積で、希望する磁場分布を実現することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軸方向磁場発生用永久磁石磁気回路の断面模式図であり、
（ａ）は軸方向磁場の発生の一例を示す模式図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′断面の模式図である。
【図２】従来の永久磁石磁気回路の模式図であり、
（ａ）はダイポールリング型、（ｂ）は磁石対向型の斜視図である。
【図３】軸方向磁場を発生するマグネットの、上半分の磁束の流れの模式図であり、
（ａ）は軸方向磁化リング磁石、（ｂ）はソレノイド円筒電磁石である。
【図４】従来の軸方向磁場発生用永久磁石磁気回路の模式図であり、
（ａ）はリング磁石の軸方向からの正面図、
（ｂ）は軸を通る面の断面図、
（ｃ）は（ｂ）の空隙内磁場分布である。
【符号の説明】
１１、２１‥‥ 端部リング状磁石（磁化方向右向き）
１３、１４‥‥ 磁化方向が空隙内部の径方向のリング状磁石
１２、１５、１６‥‥ 磁化方向が傾きを持つリング状磁石
１７、２７‥‥ 中心部リング状磁石（磁化方向左向き）
２２、２５、２６‥‥ 磁化方向が傾きを持つリング状磁石
３０、３８‥‥ 内部空隙
３１‥‥ 空隙内筒表面の左側
３２‥‥ 空隙内筒表面の右側
４０‥‥ 外側ヨーク
４１‥‥ 端部の蓋
３６‥‥ リング状磁石
６２‥‥ 軸方向磁場

Claims (2)

1. 円筒状磁性体が、複数のリング状希土類永久磁石のみで積層されまたは該磁石層とリング状外筒磁性ヨークとにより構成された永久磁石磁気回路で、磁気回路の磁場を円筒軸方向と平行に円筒内空隙に生じさせ、該磁気回路の円筒軸方向を通る断面において、リング状希土類永久磁石は中心軸に対し円筒対称となっている磁化方向を有し、円筒軸方向を横方向とした場合、左端より右端に向かって上半分で見ると、リング状磁石の磁化方向が時計回りに、下半分が反時計方向回りに連続的または離散的に徐々に一回転するようにリング状希土類磁石が配置されることを特徴とする軸方向磁場発生用永久磁石磁気回路。
2. 円筒状磁石体の両端部のリング状磁石の磁化方向が円筒軸方向と平行でかつ同一方向であり、円筒状磁性体の中心近傍磁石の磁化方向が軸方向でかつ端部と反対方向にリング状磁石が配置されている請求項１に記載の軸方向磁場発生用永久磁石磁気回路。

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